基于靜動力特性的多塔長跨斜拉橋結(jié)構(gòu)體系剛度研究.pdf

1、多塔斜拉橋在二十世紀(jì)中期就已經(jīng)出現(xiàn)，但是發(fā)展一直較緩慢，制約其發(fā)展的一個關(guān)鍵因素就是整體剛度偏弱，為此國內(nèi)外學(xué)者開展了一定的研究。當(dāng)多塔斜拉橋進(jìn)入大跨徑時，其剛度問題更加突出，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合交通運(yùn)輸部科技項目“多塔長大斜拉橋關(guān)鍵技術(shù)研究”(項目號:2013315494011)，主要針對多塔長跨斜拉橋的剛度相關(guān)問題進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。本文的主要工作包括以下幾個方面:
　　(1)提出了多塔斜拉橋整體剛度指標(biāo)，定義了多塔

2、斜拉橋豎向剛度代表值，并對其限值進(jìn)行了討論，為本文的后續(xù)研究提供了判別標(biāo)準(zhǔn)。在廣泛收集資料的基礎(chǔ)上，對已建及擬建多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計并結(jié)合理論分析提出了多塔斜拉橋的合理塔跨比區(qū)間。
　　(2)提出了多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)變形計算的隔離結(jié)構(gòu)法，基于Matlab語言編制了相應(yīng)程序，提高了剛度參數(shù)優(yōu)化時主梁活載變形計算的效率。基于多塔斜拉橋不同于常規(guī)斜拉橋（雙塔或單塔斜拉橋）的受力特點，推導(dǎo)了考慮塔梁剛度的拉索支承剛度系數(shù)的計算公式并

3、進(jìn)行了驗證。推導(dǎo)公式時，認(rèn)為中間塔兩側(cè)主梁不能與有輔助墩的邊跨主梁一樣視為剛性梁，而是具有一定的柔度，只對橋塔提供一定程度的約束，同時考慮了橋塔自身抵抗變形的能力，最后討論了橋塔剛度、主梁剛度、拉索剛度以及拉索傾角等因素對拉索支承剛度的影響，得出的結(jié)論可以用于指導(dǎo)概念設(shè)計。
　　(3)以瓊州海峽大橋方案之一的主跨828m的五塔斜拉橋為工程算例，研究了多塔長跨斜拉橋剛度問題的解決方法。通過參數(shù)敏感性分析，對原方案的剛度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化

4、，給出了塔梁剛度取值的合理匹配區(qū)間，確定了拉索剛度以及塔跨比的合理取值范圍。對采用各種加勁索的方案進(jìn)行了比較分析，給出了基于靜力特性優(yōu)化后的瓊州海峽大橋方案并進(jìn)行了力學(xué)特性檢算。
　　(4)提出了多塔斜拉橋塔梁剛度比的概念，基于拉索支承剛度系數(shù)計算式給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。與索的剛度相比，塔的剛度與梁的剛度對多塔斜拉橋整體剛度的影響較大，設(shè)計自由度也較大，從剛度的角度出發(fā)，可通過塔梁剛度比將多塔斜拉橋劃分為柔性塔體系與剛性塔體系。

5、
　　(5)提出了一種新型的多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系—改進(jìn)的莫蘭迪結(jié)構(gòu)體系(AMSS)。解決了柔性塔體系的多塔（四塔及以上）長跨斜拉橋的剛度問題。該體系是在斜拉橋索塔順橋向兩側(cè)間隔一定距離設(shè)置塔梁豎向支座，從而同時實現(xiàn)塔梁之間的豎向約束和轉(zhuǎn)動約束，在力學(xué)行為上接近塔梁固結(jié)，而構(gòu)造上表現(xiàn)為塔梁分離。通過對其力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn)其具有塔梁固結(jié)體系提高整體剛度的功能，同時避免塔梁固結(jié)處產(chǎn)生較大的彎矩。雙支承間距的增大可以提高整體剛度也同時帶來了

6、托架根部彎矩增大的問題，通過有限元分析對雙支承間距合理取值進(jìn)行了研究。通過實橋試驗數(shù)據(jù)分析了新型結(jié)構(gòu)體系的合理性及解決柔性塔多塔長跨斜拉橋體系剛度問題的有效性。
　　(6)基于動力特性及地震反應(yīng)分析對瓊州海峽大橋方案做了進(jìn)一步優(yōu)化。多塔斜拉橋剛度的增大，提高了結(jié)構(gòu)的靜力抗變形能力，但是對動力特性的影響不能一概而論。本文分析了提高橋塔剛度和改變塔梁支承體系等措施對瓊州海峽大橋方案動力特性的影響，并基于靜動力特性總結(jié)了多塔斜拉橋剛度合

7、理取值的方法。
　　(7)探討了采用反分析對多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的方法。在剛度參數(shù)敏感性分析的基礎(chǔ)上，給定一個撓度期望值，反演分析剛度參數(shù)，使得參數(shù)優(yōu)化計算更具針對性，避免需要反復(fù)調(diào)整初始參數(shù)的大量有限元試探性分析。參數(shù)優(yōu)化分析時，采用Ansys軟件參數(shù)化建模技術(shù)建立了瓊州海峽大橋方案的有限元模型，采用Matlab語言編制了相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化模型，并通過DOS內(nèi)部命令，實現(xiàn)兩種軟件之間的對口連接，使其能夠相互調(diào)用，降低了編程